Vorlesung 3 Plinianische Eruption. Physik der vulkanischen Plumes.

Plinianisch Eruption Plinianische Eruptionen sind grosse, explosive Ereignisse, die gewaltige, dunkle Aschewolken bis in die Stratosphäre (also mindestens 11km hoch) ausschleudern. Der Name stammt von Plinius dem Jüngeren, der die verheerende Eruption des Vesuvim Jahr 79 A.D. sehr sorgfältig beschrieb. Jener Ausbruch erzeugte eine enorme Aschewolke, Glutlawinen und bis in grosse Entfernung vom Vulkan Aschefälle. Es gab rund 2000 Todesopfer, unter ihnen auch Plinius der Ältere. Plinianische Eruption des Mount Spurr, Alaska, Eruptionssäule ca. 18km hoch (18.8.1992).

Daten und Fakten Bei grossen plinianischen Eruptionen kann so viel Magma aus dem Vulkaninnern austreten, dass der Vulkan anschliessend in den entstandenen Hohlraum einstürzt. So bildet sich eine Caldera. Bekannte plinianische Eruptionen des 20. Jahrhunderts sind unter anderem diejenigen vom Mount Spurr, Alaska (27. Juni, 18. August und 16.-17. September 1992); Pinatubo, Philippinen (15. Juni 1991); El Chichón, Mexico (März-April 1982); Mount St. Helens, Washington (18. Mai 1980); Agung, Indonesien (17. März 1963); and Novarupta, Valley of 10'000 Smokes, Alaska (6. Juni 1912). Das klassische Bild einer plinianischen Eruption: Der Mount St. Helens im Jahre 1980.

Höhe der Eruptionssäulen historischer Eruptionen in Abhängigkeit von der Eruptionsrate (in m3)

Einige plinianische Eruptionen schleuderten dermassen grosse Massen von Aerosolen (kleinste Tröpfchen) in die Stratosphäre, dass sich das Klima weltweit um einige Grad abkühlte. Auch Eruptionen der jüngsten Zeit führten zu merklicher Abkühlung (1991: Mount Pinatubo, Philippinen und 1982: El Chichón, Mexiko). Der gigantische Ausbruch des Tambora, Indonesien, im Jahr 1815 dürfte für das «Jahr ohne Sommer» (1816) in den USA, Kanada und in Europa verantwortlich gewesen sein.

Konvektive Erutionssäule Co-ignimbritische Wolke Pyroklastische Strom Wenn zu einem derartig zähen Magma noch ein hoher Anteil an gelösten Gasen kommt, können die Gase bei einer Druckentlastung nicht aus dem Magma entweichen und zerreissen es explosionsartig, wenn der Gasdruck die Festigkeit des Magmas übersteigt. Erfolgt dies noch im Schlot des Vulkans, kann das entweichende Gas eine enorme Geschwindigkeit erreichen und besonders bei engen Schloten werden dabei mit dem Gas auch Pyroklastika in die Atmosphäre geblasen. Es entsteht eine sogenannte plinianische Säule, die von Weitem einer Pinie nicht unähnlich ist und mehrere Kilometer Höhe erreichen kann. Sobald sich nun der Schlot erweitert oder der Gasdruck nachläßt, fällt diese Säule in sich zusammen und die zurückfallende Säule gleitet als pyroklastischer Strom über den Boden.

Druckminderung und Blasenbildung

Vilkan Mount St. Helens 18. Mai 1980 Auswölbung der Nordflanke des Vilkans Das durch Druck der aufsteigende Magmasäule entstandene große Erdbeben wirkte als Auslöser, durch den die riesigen, durch die gewaltigen Aufbeulung destabillisierten Gesteinsmassenaus ihrem Verband gelöst wurden uns als Gesteinslavine zu Tale stürzten. Im porösen Gestein zwischen Vulkangipfel und dem obersten Bereich der Magmasäule wurde in grossen Mengen vorhandene Grundwasser auf über 100°C erhitzt. Aber wegen des hoheren Überlastungsdruckes könnte das Wasser bevor der Enthauptung des Vulkans nicht sieden.

Eruptionsphasen des Mt. St. Helens vom 18. Mai bis Juli 1980 Bei dem plötzlichen Abrutschen des Gesteinsdachs wandelte sich das überhitzte Wasser im Dampf um.Diese Ausdehnung des Wasserdampfes führte zur weiteren Zerreißung des Vulkandachs einschlißlich der obersten Parteien der Magmasäule. Abnahme des Druckes in der Magmasäule führt zur Übersättigung des Magmas mit das Wasser und Wachstum der Blasen im Schmelz. Die Blasen ausdehnen, platzen und eine Eruptionssäule erzeugte. Geschwindigkeit 50 km/St, Hohe ~ 25 km Erruptierte Gesamtvolumen ~ 0,25 km³.

Die Eruptionssäule plinianischer Eruptionen: Plinianische Eruptionen sind durch die, schon von Plinius 79 n.Chr. Plastisch beschriebenen, oft blumenkohlartig aussehenden, Eruptionswolken gekennzeichnet. Diese Eruptionswolken sind der oberste Teil der Eruptionsäule, die aus folgenden Bereichen besteht: 1. der Gas-Schub-Phase, 2. der konvektiven Auftriebszone, und 3. der Schirmregion. Die Partikel (Magmafetzen, Bims) erreichen in der Gas-Schub-Phase Höhen von 1,5 bis 4,5 km, je nach austrittsgeschwindigkeit (1400-2100 km/h). Größere Höhen sind durch den ballistischen Flug der beschleunigten Partikel nicht zu erreichen. Da die Magmafetzen beim Aufstieg in der Gas-Schub-Phase Wärme an die Luft abgeben und platzende Blasen zusätzlich heiße Gase abgeben, wird die Luft in der Eruptionssäule so stark erwärmt, daß sie wie ein Heissluftballon schnell aufsteigt. Dies ist die konvektive Auftriebszone, in der alle Partikel, deren Fallgeschwindigkeit kleiner ist als die Aufstiegsgeschwindigkeit der erhitzten Luft, mitgerissen und in größere Höhen verfrachtet werden.

Plinianische Saüle Plinianische Säule mit co-Ignimbritischen Wolke

Häufigkeit von Eruptionssäulen unterschiedlicher Höhe im Zehnjahresabschnitten 1975-1985

Definition of variables: b ist Dichte des Säulesmaterial u ist vertikale Geschwindigkeit b ist laterale Radius der Säule e ist Luft-Aufnahmekonstante a ist Dichte des Umgebungsluftes e = dM Mo•dZ u(z) a(z) b(z) b(z) e e z Kg/m³ ,m

b(Z+DZ)•p•b(Z+DZ)²•u(Z+DZ) Ausgangsmasse pro Dt Massebilanz pro Dt: {b(Z+DZ)•p•b(Z+DZ)² •u(Z+DZ) - b(Z)•p•b(Z)² •u(Z)}=2•π•b(Z)•u(Z)•e•DZ•a(Z) d{b(Z)•b(Z)²•u(Z)} = 2•b(Z)•u(Z)•e•a(Z) dZ b(Z) DZ 2•π•b(Z)•u(Z)•e•DZ•a(Z) Aufnahmende Masse des Luftes pro Dt Z b(Z)•p•b(Z)²•u(Z) Eingangsmasse pro Dt

Mechanische Momentumbilanz Massebilanz der pyroklastischen Masse Bilanz der Energie Wärme + kinetische + potenzielle Energie Massebilanz Mechanische Momentumbilanz Massebilanz der pyroklastischen Masse

Materialparameter Pyroklastische Materialdichte s, vulkanische Gasdichte r , and Massenfraktion des Gases n, inclusiv aufnahmende Luft und vulkanische Gas, Mischungsdichte von Pyroklasten, Gas und Luft b, ist gleich: 2 Anfangsbedingungen

und Förderungsrate bestimmen den Typ der Eruptionssäule Anfangsbedingungen und Förderungsrate bestimmen den Typ der Eruptionssäule

Höhe, km Geschwindigkeit, m/s Pinatubo Anfangsgeschwindigkeit, m/s Geschwindigkeit, m/s Pinatubo Anfangsgeschwindigkeit, m/s Relative Dichte der Säule mit Vergleich zum Umgebungsluft

Gas oder Wassergehalt in Magma Geschindigkeit Geschindigkeit Gas oder Wassergehalt in Magma Schlotradius Man braucht bestimmte Schwellenmenge des Gasinhalts und kleine Schlotdurchmesser damit eine konvektive Eruptionssäule zu bekommen

Bei plinianische Eruptionen entstehen unterschiedliche Ablagerungen, die sich durch die Art des Transport unterscheiden: ballistische Blöcke Fallablagerungen Aschenstromablagerungen Ballistische Blöcke werden durch das aufsteigende Magma bzw. explosionsartig expandierende Gas beschleunigt und fallen entlang einer ballistischen Flugbahn zur Erde zurück. Meist handelt es sich um Fragmente des Nebengesteins (Schlotwandung, Krater). Beim Auftreffen auf der Erdoberfläche werden in der Regel Einschlagtrichter erzeugt. Diese sind oft asymmetrisch und lassen die Transportrichting erkennen. Ballistische Blöcke finden sich in der Regel nur nahe des Schlotes. In Paläovulkaniten, deren genauer Eruptionspunkt nicht bekannt ist, kann die kartenmäßige Darstellung der Größe ballistischer Blöcke zur Identifikation der Lage des Schlotes genutzt werden. Es muß dann aber sichergestellt sein, daß nicht durch andere Mechanismen transportierte Blöcke mit ballistischen Blöcken verwechselt werden.

Fallablagerungen Die Magmafetzen, die in die Schirmregion der Eruptionssäule aufsteigen, bzw. die zu schwer für einen weiteren Aufstieg in der konvektiven Aufsteigszone sind, 'regnen' wieder auf die Erde herab. Die Magmafetzen sind dabei durch die Entgasung in der Regel zu Bims aufgebläht und treffen daher meist so langsam und mit einem so geringen Impuls auf der Erde auf, daß keine Einschlagstrichter erzeugt werden. Typische Merkmale plinianischer Fallablagerungen sind zum einen, daß sie gleichmäßig Mächtigkeiten aufweisen, unabhängig davon, ob sie in Tälern, auf Hängen oder Bergen abgelagert wurden. Zum Zweiten weisen Fallablagerungen meist eine relativ gute Sortierung auf, da kleine Bimse weiter als größere Brocken transportiert werden. Die regionale Verteilung von Fallablagerungen, dokumentiert z.Bsp. durch Isopachen (Linien, welche die Punkte, an denen die Ablagerungen gleiche Mächtigkeiten aufweisen verbinden) spiegelt die während der Eruption vorherrschenden Windrichtungen und Windstärken wieder.

Die Höhe der Eruptionssäule wird von der Förderrate gesteuert, da sie im Wesentlichen von der Auftriebsphase abhängt (siehe Abbildung unten rechts). Die Geometrie des Schlotes und damit die durch die Gas-Schub-Phase erreichte Höhe ist nur von geringer Bedeutung. Bei plinianischen Eruptionen entstehen Ablagerungen, die sich aufgrund ihrer Ausbildung und des Transportmechanismus in drei Hauptgruppen unterteilen lassen. Schemazeichnung des Transports ballistischer Blöcke.

Tethra (oben), Wurfschlacken (unten links) und Bombe (unten rechts)

Tethra

Tethra: Elektronische Mikroskop

Tethra

Schemazeichnung von Fallablagerungen. Typische Merkmale von Aschenstromablagerungen sind große Mächtigkeiten in topographisch tiefliegenden Bereichen (Tälern) und eine geringe Sortierung.

Sortierung und Verteilung der Fallablagerungen

Santorini (Insel Santorini) Der große Ausbruch des Santorini um 1650 vor unserer Zeit war einer der gewaltigsten (VEI=6)* in den letzten 10.000 Jahren. Über 30 Kubikkilometer rhydazitischen Magmas wurden ausgeworfen. Die plinianische Säule in der Anfangsphase des damaligen Ausbruches dürfte eine Höhe von 36 km erreicht haben und vulkanische Aschen gingen über große Gebiete im östlichen Mittelmeer und im südwesten der Türkei nieder. Durch den Auswurf einer derart riesigen Menge an Magma wurde der Vulkan in sich instabil, stürzte ein und bildete dadurch die Kaldera, deren Randerhebungen die Inseln Therasia, Aspronisi und Thera bilden. Akroteri, die minoische Stadt auf der Südseite von Thera, von etwa 1-2 Meter Asche bedeckt, mit damals immerhin 30.000 Einwohner, wird derzeit wieder ausgegraben und wie sich zeigt - es wurden bisher keine Opfer wie etwa in Pompei (am Vesuv) gefunden - war sie rechtzeitig vor dem großen Ausbruch evakuiert worden, ja selbst alle leichter beweglichen Güter waren mitgenommen worden.

Der Popocatepetl liegt wie alle Vulkane Mexikos über einer Subduktionszone. Hier taucht die Cocos-Platte mit einer Geschwindigkeit von rund 6 cm pro Jahr unter die Nordamerikanische Platte in den Erdmantel hinab. Die abtauchende Platte wird in der Tiefe aufgeheizt und gibt im Gestein gefangenes Wasser ab. Dieses Wasser setzt die Schmelztemperatur der Gesteine im umgebenden Erdmantel herab, die so teilweise aufschmelzen. Das Magma steigt nach oben auf und sammelt sich in Magmakammern. Von Zeit zu Zeit, wenn sich in diesem Reservoir genügend Druck aufgebaut hat, oder neu zuströmendes heißes Material die Schmelze in der Magmakammer mobilisiert, bahnt sie sich auf gewaltsame Weise einen Weg ins Freie.

Plinianische Hauptphase Während der eigentlichen Eruptionen, die nur wenige Tage andauerten, wurden hochexplosive Energien frei, die zur lateralen Erosion der Oberfläche und der Schaffung eines Kraters führten, was wiederum eine Druckentlastung der Magmasäule mit sich brachte, da sich die Gase nun ausbreiten konnten. Diese ausbreitenden Gase wurde die Lava im Schlot zerrissen, anschließend wegen des 200 bis 400 m/sec herausschießenden heißen Strahls bestehend aus Bims und Asche in kleinere Stücke zerlegt (dennoch bis zu 4 m Durchmesser möglich) und über 2 km weit aus dem Krater herausgeschleudert. Bei diesem Vorgang wurde kältere Luft angesaugt und bei dem Kontakt mit heißen Glaspartikeln erhitzt. Dadurch entstand eine Eruptionssäule, die bis zu 40km hoch in die Stratosphäre ragte.